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인공위성

. 인공위성 발사체 필수 기술 연구(1)1) 연구개발의 목적 및 필요성엔진 내부의 연소의 불안정성은 급작스런 음향 압력 증가 혹은 열전달 촉진을 야기하여 로켓 엔진의 일부 요소를 파괴하거나 용융시킬 수 있으며 추력 벡터를 변하게 하여 노즐을 통해 나가는 제트유동의 불안정성을 유발한다. 이로 인해 추력이 변함으로써 로켓의 성능이 저하될 수 있고 강한 제트소음을 유발한다. 따라서 제트소음을 고려한 최적의 배기화염 유도로 설계가 필요하다.구조적인 문제와 관련된 다중 체결부를 고려한 위성 발사체용 복합재 탱크 개발 연구에서는 발사체 구조물을 구성하는 대형 탱크 구조간의 체결 방법과 종류, 체결부 위치 및 형상에 대한 해석을 통하여 발사체용 복합재 탱크를 개발하는데 있다. 선진국의 경우 발사체 구조물에 대한 해석, 설계 방법이 정립되어 있으나 기술 공개나 이전을 기피하고 있으므로 기초적인 기반 기술에 대한 독자적인 여구가 필요하다.또한, 인공위성 발사체 패널의 설계에는 초음속 공기력과 공력가열이 미치는 영향을 고려하여야 하며 이는 발사체 자체의 정적 및 동적 안정성을 확보하는데 필요 불가결한 요소이다. 본 연구에서는 복합하중 상태에서 원통형 패널의 좌굴과 플러터 해석 프로그램을 개발하고 여러 가지 형상과 구조 파라미터에 따른 불안정 거동 특성을 파악하고 분석하고자 한다.발사체를 정해진 궤도에 진입시키기 위한 유도기법에 대한 국내의 연구는 기초적인 단계에 머물러 있는 실정이다. 여러 가지 기본저인 유도알고리즘은 습득하고 있으나 이러한 기법들이 우리가 개발하고자 하는 저궤도위성 발사체의 유도에 얼마나 적합한가를 파악하기 위해서는 보다 면밀한 비교 분석이 필요하다. 또한 기존 유도기법들은 근사화 과정이 많이 포함되어 있다. 그러므로 이러한 부분들을 보완함으로써 유도기법의 성능을 향상시킬 필요가 있다.로켓의 배기 플룸은 고온, 고압, 고속의 특징 때문에 로켓의 운동 안정성과 발사 단계에서 발사 구조물에 심각한 영향을 주게 된다. 따라서 배기 플룸에 대한 수치적인 연구를 통하여으로 보강된 탄소/탄소 복합재는 노즐을 구성하는 중요한 부품이다. 국내에서는 노즐의 구성요소인 공간적으로 보강된 탄소/탄소 복합재의 연구가 아직 수행되지 못했다. 외국에서도 이와 같은 기술을 국가 기밀로 하고 있어, 기술이전도 여의치 않은 상황에서 독자적인 탄소/탄소 복합재 노즐개발은 필수적이다.로켓 연소실의 성능을 예측하기 위해서는 연소실 내에서 일어나는 여러 단계의 현상들에 대한 개별적인 연구뿐만 아니라 이들 현상들을 모두 고려한 체계적인 연구가 필요하다. 그러나 각 현상들(분사, 미립화, 기화, 혼합, 화학 반응)을 지배하는 2상 유동, 난류 유동, 화학 반응 등의 구성 요소들에 대한 이해가 아직 부족하고, 이들간의 상호 작용이 잘 알려져 있지 않다. 따라서 로켓의 핵심 부품인 연소실에서의 현상을 정확하게 모사하기 위한 모델과 코드의 개발이 필요하다.액체 연료 로켓은 추진제의 양을 조절할 수 있으며 추력을 조절할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 액체 연료 로켓의 산화제로는 LOX, N2O4, HNO3등이 사용된다. KSR-Ⅲ의 경우 액체산소(LOX)를 사용하게 되는데 액체 산소는 대기압 상에서 90.2K의 극저온 상태로 존재하게 된다 극저온 유체는 상온에서 일반적인 유체들과는 상이한 거동을 보이며, 또한, 산화제로서 사용되기 위해서는 고압(30∼50atm.)상태가 되기 때문에 안정적인 산화제의 공급을 위해서는 저온 유체의 관내 유동에 대한 열전달 및 압력강하, 상변화 현상에 대한 연구가 수행되어야 할 것이다.2) 연구개발의 내용 및 범위먼저, 본 연구에서는 연소의 불안정성이 제트유동의 불안정성으로 나타난다는 것에 바탕을 두어 노즐 및 제트유동을 함께 고려한 방사소음 수치해석을 수행하려 한다. 초음속 제트소음은 크게 세가지로 나뉠 수 있다. 첫째, turbulent mixing noise로서 perfectly expanded인 경우와 under expanded인 경우 모두 나타나며 특징은 mach wave형태로 제트의 downstream방향으로 전파된다. 조사를 통하여 대형 구조물간 체결 종류, 방법 및 형상 등의 기초 자료를 수집하는데 그에 따라 첫째로 복합재료 및 금속재 압력 탱크 제작에 사용되는 체결의 종류를 조사 분류하였다. 둘째로 고체, 액체 발사체용 로켓을 구성하는 체결 위치, 방법과 체결부 형상에 대한 내용을 조사하여 정리하였다. 셋째로 기존의 문헌에 발표된 체결부에 대한 유한 요소 해석 사례를 조사하여, 사용한 요소 종류와 하중 조건, 설계 요구 조건 등을 정리하였다. 마지막으로 상용 유한 요소 코드를 통하여 가능한 체결부 해석 종류와 국부적인 체결부 해석을 위한 유한 요소 프로그램 개발 현황을 조사하였다. 그에 따라 2차 연도 체결부 유한 요소 해석에서 다룰수 있는 체결부 형상 및 해석 종류를 결정하였다.동체 패널의 플러터 해석을 위해서 우선 기존의 연구된 열좌굴과 플러터 해석에 대한 문헌조사를 수행한다. 발사체 패널의 기본적인 구조요소인 원통형 패널에 대한 선형 패널 플러터 해석을 수행할 수 있는 유한요소 해석 프로그램을 개발한다. 개발된 해석 프로그램을 바탕으로 임의의 등방성 패널에 대한 동적 거동 및 플러터 특성을 연구한다.유도기법 연구와 관련되어서는 현재 확정된 저궤도 위성 발사체 모델이 없으므로 유도 기법 연구에 적합한 발사체 모델을 작성한다. 또한 유도기법의 성능비교를 위해 최소연료 상승 2차원 궤적 최적화를 수행하며, 기존에 사용된 Satrun-V, Space Shuttle, H-Ⅱ 로켓의 유도기법에 대한 조사를 한다. 최소연료 상승 궤적 최적화는 진화연산 기법을 사용하였다. 조사한 유도 기법의 2차원 유도성능을 최소연료 상승 궤적 초적화 결과와 비교하여, 유도 기법의 성능을 분석한다.배기 플룸의 해석을 위해서는 기초적인 지식을 습득하고 적용되는 기본적인 유동의 특성을 이해하기 위한 자료의 수집과 문헌 조사를 d하여 구체적인 연구 방향을 결정하였다. 발사시 overexpanded flow 조건은 노즐 내부에 경계층 박리를 유발시키게 된다. 박리 유동은 비정상적이기 때문에 구조적 진동조건등이 필요하다. 본 연구에서는 축대칭 형상의 문제에 대한 격자계 및 경계조건등의 연구를 통해 저밀도 배기 플룸 해석을 위한 기초 코드를 개발하고자 한다.킥모터용 노즐목 내열재의 열탄성 해석을 위해서는 임의의 방향으로 보강된 탄소/탄소 복합재 구조물의 기하학적 구조 모델링을 통하여 각각의 라드가 차지하는 체적율을 정의한다. 이렇게 정의된 체적율 및 라드와 기지의 물성치를 이용하여 라드와 기지로 만들어진 블록의 물성치를 구할 수 있다. 본 연구에서는 3방향의 라드가 수직으로 보강되어진 블록의 물성치를 각 라드와 가지의 강성행렬의 체적평균을 통하여 구하였다. 또한 이렇게 구해진 등가 물성치를 공간으로 나타내므로 블록의 전체적인 물성치를 쉽게 예측할 수 있다. 본 연구의 범위는 공간적으로 보강된 복합재료의 기계적 물성치를 예측하는 프로그램을 개발하는 것이다.FOOF형 엔진의 연소 모델링 연구와 관련하여 문헌 조사를 통하여 액체 추진제 로켓의 연소실 모사에 필요한 현상들에 대한 접근 방법들을 수집, 정리하였다. 실제 분사기를 장착한 연소시의 분무 연소 과정 및 연소 효율에 관한 체계적인 연구는 연소 과정에 수반되는 물리적인 복잡성으로 인해 매우 제한적으로 시도되고 있으며, 일반적으로 분사, 혼합, 기화, 화학 반응 등으로 진행되는 각 과정들을 구분하여 해석한다. 또한 연소기 내의 현상들은 2상 유동과 난류 유동을 수반하여 해석이 매우 어렵다. 본 연구에서는 이들 각 현상들을 해석하기 위해 제안된 여러 가지 방법들에 대해 조사하였다.극저온 액체 추진제 토출시의 비정상 열전달 연구의 대상인 액체 연료 로켓에서는 높은 연소효율을 갖기 위해서는 산화제 및 연료가 액상으로 혼합되어야 한다. 많은 경우들에 있어서 산화제 및 연료는 극저온 상태의 유체를 사용하게 된다. 극저온 상태의 유체가 연소기까지 공급되는 과정에서 공급배관 및 인젝터(injector)로 부터의 열전달을 겪게 되어 유체의 상태에 변화를 준다.상변화가 포함된 유동에 관한 연구는 이미 여러차례 수행되어 왔으나 상 제트인 경우에 대해 해석한 결과 large turbulence structure를 갖는 vortex roll-up 현상으로 Mach wave radiation이 발생함을 알 수 있었다.또한 발사체용 복합재 탱크 개발을 위해 압력 탱크 제작고 발사체 구조물에서 사용되는 체결 방법과 형상을 문헌 조사를 통하여 분류하였다. 또한 체결부 형상에 대한 설계 기법에 대한 조사로써 유한 요소 해석의 수행 방법과 하중 조건, 설계 요구 조건 등에 대한 내용을 정리하였다. 앞으로 2차 연도에 본 과제를 통해 수행할 수 있는 해석의 종류를 소개하였다. 유한 요소 해석의 경우, 기존의 상용 코드를 통해 가능한 체결부 해석의 범위와 직접 프로그램을 코딩하여 불 수 있는 해석의 종류를 기술하였다.발사체 패널 플러터에 관련된 연구 사례를 살펴보면 공력가열에 대한 열응력은 자체로 열적 좌굴을 유발할 수 있으며 공기력과 결부되어서는 플러터 임계동압을 급격히 떨어뜨릴 수 있다고 보고 되어지고 있다. 제 1차년도 연구에서는 우선 원통형 패널의 진동 및 플러터 해석 유한요소 프로그램이 개발되었다. 기존의 결과들과 검증을 수행하였으며 등방성 원통형 패널에 대한 패널 플러터 특성이 연구되었다. 원통형 패널은 평판과는 달리 원주방향으로 고차의 모드에서 플러터가 발생하고 있음을 알 수 있었다.발사체의 유도 기법 개발을 위해 질점으로 가정한 2차원 발사체 모델을 작성하였다. 작성한 모델을 이용하여 진화연산기법으로 최소연료 2차원 상승 궤적 최적화를 수행하였다. 기존 로켓에 사용된 유도 기법중 Explicit 기법에 대하여 조사를 수행하였으며, Explicit 기법을 사용하여 계산한 발사체 궤적과 최소연료 2차원 상승 궤적을 비교하였다.기존의 배기 플룸 관련 연구는 축대칭과노즐에서 배출되는 유동이 일정하다는 조건을 사용하여 노즐의 외부 유동만을 주로 다루었다. 본 연구에서는 노즐의 내부 벽에서 박리된 유동이 외부로 배출되어 배기 플룸을 형성하는 경우를 3차원적으로 접근하여 기존의 축대칭의 결과와 비교하있다.

공학/기술| 2001.06.14| 7페이지| 무료| 조회(878)

인공위성, 노즐, 복합체, 발사체

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